刮板輸送式大棚有機肥排肥裝置的設(shè)計與試驗.pdf

徐勇 宋明翰 孫國峻 等 刮板輸送式大棚有機肥排肥裝置的設(shè)計與試驗 J 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2021 42 6 79 87 XU Yong SONG Minghan SUN Guojun et al Design and test of organic fertilizer discharging device with scraper conveyor for greenhouse J Journal of South China Agricultural University 2021 42 6 79 87 刮板輸送式大棚有機肥排肥裝置的設(shè)計與試驗 徐 勇 宋明翰 孫國峻 余洪鋒 何瑞銀 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 江蘇 南京 210031 摘要 目的 解決現(xiàn)有有機肥排肥裝置排肥穩(wěn)定性差的問題 提高大棚內(nèi)有機肥施撒機械化水平 設(shè)計一種刮板 輸送式大棚有機肥排肥裝置 方法 以蘇南地區(qū)草莓種植大棚為例 依據(jù)大棚基本尺寸參數(shù)和草莓種植農(nóng)藝要 求 確定排肥裝置設(shè)計的主要要求 結(jié)合散體力學(xué)理論對設(shè)計的排肥裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行分析和確定 確 定影響排肥量穩(wěn)定性的主要因素為排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度 搭建室內(nèi)有機肥排肥試驗平臺 進行轉(zhuǎn)速與排肥 量單因素試驗和兩因素五水平的響應(yīng)面試驗 結(jié)果 轉(zhuǎn)速與排肥量相關(guān)性試驗結(jié)果表明 在試驗設(shè)定的轉(zhuǎn)速和 開度范圍內(nèi) 不同開度條件下 轉(zhuǎn)速和排肥量均呈良好的線性關(guān)系 整體的決定系數(shù)大于0 985 7 排肥量可通過 實時調(diào)節(jié)開度和轉(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)節(jié) 響應(yīng)面試驗結(jié)果表明 排肥范圍內(nèi)排肥量穩(wěn)定性較好 排肥軸轉(zhuǎn)速對于排肥穩(wěn) 定性變異系數(shù)的影響大于排肥器開度 當(dāng)排肥器開度為30 42 mm 排肥軸轉(zhuǎn)速為51 5 r min時 排肥穩(wěn)定性變 異系數(shù)結(jié)果最優(yōu) 為1 84 驗證試驗結(jié)果表明 變異系數(shù)相對誤差不大于5 變異系數(shù)相對誤差均值僅為 2 95 符合要求 對比驗證試驗表明 常用的螺旋式有機肥排肥器的排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)均值為6 12 本文 設(shè)計的刮板輸送式有機肥排肥器有效提高了有機肥的排肥穩(wěn)定性 結(jié)論 設(shè)計的刮板輸送式排肥裝置具有較好 的排肥性能 能夠滿足設(shè)施大棚內(nèi)有機肥施肥作業(yè)要求 關(guān)鍵詞 有機肥 刮板 受力分析 排肥穩(wěn)定性 優(yōu)化試驗 中圖分類號 S224 21 文獻標(biāo)志碼 A 文章編號 1001 411X 2021 06 0079 09 Design and test of organic fertilizer discharging device with scraper conveyor for greenhouse XU Yong SONG Minghan SUN Guojun YU Hongfeng HE Ruiyin College of Engineering Nanjing Agricultural University Nanjing 210031 China Abstract Objective In order to improve the mechanization level of organic fertilizer application in the greenhouse and solve the problem of low fertilizer discharge stability of the existing organic fertilizer discharging device an organic fertilizer discharging device with scraper conveyor for greenhouse was designed Method Taking the strawberry planting greenhouse in southern Jiangsu area as an example the main requirements for the design of the fertilizer discharging device were determined according to the basic size parameters of the greenhouse and the agronomic requirements of strawberry planting The key structure and parameters of the designed fertilizer discharging device were analyzed and determined by combining the bulk mechanics theory and the main factors affecting the stability of the fertilizer discharging volume were 收稿日期 2021 02 05 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間 2021 09 26 09 31 33 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 作者簡介 徐 勇 1996 男 碩士研究生 E mail m740415467 通信作者 何瑞銀 1964 男 教授 博士 E mail ryhe njau 基金項目 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目 CX 19 2012 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機裝備與技術(shù)示范推廣項目 NJ2019 14 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 Journal of South China Agricultural University 2021 42 6 79 87 DOI 10 7671 j issn 1001 411X 202102008 determined to be the rotational speed of the fertilizer discharging shaft and the opening degree of the fertilizer discharging device An indoor organic fertilizer discharging test platform was built and single factor test and two factor five level response surface test of rotational speed and fertilizer discharging volume were conducted Result The results of the correlation test between rotational speed and fertilizer discharging volume showed that within the range of rotational speed and opening degree set in the test the rotational speed and fertilizer discharging volume had a good linear relationship under the conditions with different opening degree The overall coefficient of determination was above 0 985 7 and the fertilizer discharging volume could be adjusted by adjusting the opening degree and rotational speed in real time The results of the response surface test showed that the stability of fertilizer discharging volume within the set range was good and the rotational speed of the fertilizer discharging shaft had a greater influence on the coefficient of variation of the fertilizer stability compared with the opening of the fertilizer discharging device The coefficient of variation of fertilization stability was optimal 1 84 when the opening degree of fertilizer discharging device was 30 42 mm and the rotational speed of fertilizer discharging shaft was 51 5 r min The comparison test showed that the average value of the coefficients of variations of the commonly used spiral organic fertilizer discharger was 6 12 and the organic fertilizer discharger with scraper conveyor designed in this paper effectively improved the stability of organic fertilizer discharging Conclusion The designed fertilizer discharging device with scraper conveyor has good fertilizer discharging performance and meets the requirements of organic fertilizer application in greenhouse Key words organic fertilizer scraper stress analysis fertilization stability optimization test 設(shè)施大棚種植業(yè)的發(fā)展能夠有效保證蔬菜 瓜 果的淡季供應(yīng) 具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益 1 中國設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展水平相對滯后 綜合機械 化水平僅為33 2 3 施肥是設(shè)施大棚種植作業(yè)中 最重要的環(huán)節(jié)之一 施撒有機肥能夠有效改善土 質(zhì) 減少溫室氣體排放 改良作物品質(zhì) 提高作物產(chǎn)量 4 8 但是 目前大棚中有機肥的撒施仍然主要依靠人 工 勞動強度大 作業(yè)效率低 9 要實現(xiàn)高效高質(zhì)的 設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 必須依靠機械施肥 排肥裝置是施 撒有機肥的關(guān)鍵部件 10 現(xiàn)階段 國內(nèi)外對于有機 肥施肥機械的研究很多 11 13 但專用于設(shè)施大棚的 施肥機械鮮見介紹 為了提高我國設(shè)施大棚施肥機 械化水平 有必要設(shè)計大棚有機肥排肥裝置 目前 用于有機肥施撒的主要排肥裝置及原理為 離心圓 盤式 利用圓盤的離心力拋撒肥料 14 槳葉式 通過 槳片高速旋轉(zhuǎn)將肥料拋撒到田間 15 錘片式 通過螺 旋絞龍運送肥料至卸料口 再用高速運動的錘片將 肥料撕裂 粉碎 自上而下拋出 16 拋撒轉(zhuǎn)軸式 通 過排料口擋板調(diào)節(jié)落料量 落料通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸拋撒 而出 17 以上排肥裝置都只適用于大型農(nóng)場或大田 18 施撒效率高 排肥原理都是利用排肥器高速旋轉(zhuǎn)的 離心力慣性拋撒有機肥 肥料經(jīng)排肥器排出過程中 會有大量泄漏 導(dǎo)致排肥量不穩(wěn)定 刮板輸送裝置對散體物料良好的輸送特性保 證了散體物料運輸 排施過程的穩(wěn)定性和定量可控 性 19 21 但將刮板輸送裝置應(yīng)用于有機肥施撒并不 多見 本研究綜合考慮刮板輸送裝置的機構(gòu)特性和 輸送原理 設(shè)計一種刮板輸送式有機肥排肥裝置 對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計和分析 搭建排肥器性 能試驗平臺 對關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化 以期為整機的 設(shè)計提供參考依據(jù) 1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 大棚有機肥施撒農(nóng)藝要求 以蘇南地區(qū)草莓大棚為例 該地區(qū)草莓種植大 棚多為8 332型大棚 圖1 棚高3 2 m 棚寬8 m 長 80 m 大棚門寬1 2 m 高度為1 75 m 大棚內(nèi)作 業(yè)空間有限 一般采用人工作業(yè) 22 23 為了促進草 莓開花結(jié)果 一般在草莓種植之前 在整個大棚內(nèi) 進行基肥施撒作業(yè) 施撒有機肥量為1 50 2 25 kg m 2 8 m 3 2 m 1 8 m 1 2 m 1 5 m1 75 m 圖 1 8 332型大棚基本尺寸 Fig 1 Basic dimensions of 8 332 greenhouse 80 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 第 42 卷 有機肥種類為腐熟的肥類有機肥 施肥作業(yè)先將有 機肥撒于地表 后用旋耕機將有機肥旋入土壤 1 2 排肥裝置整體結(jié)構(gòu) 刮板輸送式排肥裝置主要由承料箱 擋肥板升 降裝置 刮板輸送式排肥器 傳動裝置和控制器組 成 承料箱由箱體和擋肥板組成 其中擋肥板安裝 在箱體兩邊的滑道中 可以上下升降移動 擋肥板 升降裝置主要由齒輪軸 齒輪和齒條組成 齒條焊 接在擋肥板上 依靠齒輪旋轉(zhuǎn)運動帶動齒條上下移 動 刮板輸送式排肥器由排肥軸 鏈輪 鏈條 鏈 板 刮板等組成 刮板用沉頭螺釘安裝在鏈板上 鏈 板與鏈板之間采用鉸接 傳動裝置主要由步進電 機 聯(lián)軸器 三相異步電機和減速機組成 步進電機 通過聯(lián)軸器連接齒輪軸 減速機側(cè)面軸孔連接三相 異步電機軸 正面軸孔連接排肥軸 控制器包括步 進電機控制器 三相異步電機變頻器以及編碼器 編碼器通過聯(lián)軸器安裝在排肥軸上 實時測量排肥 軸轉(zhuǎn)速 整體結(jié)構(gòu)如圖2所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 22 21 20 19 18 17 16 15 1 步進電機 2 步進電機安裝座 3 聯(lián)軸器1 4 齒條 5 齒輪 6 齒輪 軸 7 擋肥板 8 箱體 9 軸承座1 10 三相異步電機 11 減速機 12 三 相異步電機安裝座 13 支架 14 排肥軸 15 軸承座2 16 鏈輪 17 鏈 條 18 鏈板 19 刮板 20 擋片 21 聯(lián)軸器2 22 編碼器 1 Stepping motor 2 Stepping motor mounting seat 3 Coupling 1 4 Rack and pinion 5 Gear 6 Gear shaft 7 Fertilizer plate 8 Box body 9 Bearing seat 1 10 AC motor 11 Reducer 12 AC motor mounting seat 13 Bracket 14 Sprocket shaft 15 Bearing seat 2 16 Sprocket 17 Chain 18 Chain plate 19 Scraper 20 Baffle 21 Coupling 2 22 Encoder 圖 2 排肥裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig 2 Structure diagram of fertilizer discharging device 1 3 排肥裝置工作原理 步進電機通過聯(lián)軸器將驅(qū)動力傳輸?shù)烬X輪軸 固定在齒輪軸上的齒輪帶動齒條升降 把電機的旋 轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動從而驅(qū)動擋肥板升降 精準(zhǔn) 控制排肥裝置開度 三相異步電機的動力通過減速 機驅(qū)動排肥軸 帶動鏈條 鏈板和刮板向排肥口處 運動 刮板可把料箱底部的物料刮走 上方物料在 自身重力作用下 克服摩擦力和內(nèi)聚力而下落 繼 續(xù)受刮板作用力 使物料連續(xù)不斷地穩(wěn)定排出 24 實施排肥作業(yè)時 分別調(diào)節(jié)步進電機控制器和三相 異步電機變頻器旋鈕 設(shè)置對應(yīng)排肥器開度和排肥 軸轉(zhuǎn)速 根據(jù)設(shè)定的開度值 步進電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的 步距角 調(diào)節(jié)擋肥板開度 根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值 三相 異步電機帶動排肥軸實施排肥作業(yè) 2 排肥器主要參數(shù) 2 1 排肥量的確定 排肥軸的單轉(zhuǎn)排肥量是衡量排肥裝置排肥性 能的重要指標(biāo) 25 排肥器單轉(zhuǎn)排肥量的穩(wěn)定性決定 了整個排肥裝置的排肥穩(wěn)定性 不考慮軸承座和支 架兩側(cè)壁摩擦力影響 其排肥軸理論單轉(zhuǎn)排肥量用 下式計算 q dHb a a z 1 式中 q表示輸送鏈輪旋轉(zhuǎn)一周排出的肥料 kg r 1 H為排肥器的開度 m b為排肥刮板的長度 m a為刮板間距 m z為刮板厚度 m d為輸送鏈輪直 徑 m 為有機肥的密度 kg m 3 2 2 刮板間距與高度 有機肥在承料箱中運動時 呈連續(xù)的均質(zhì)流輸 送 整個肥料流分為上下兩層 下層有機肥高h1 刮 板上方的有機肥高h2 任取1個刮板間距的有機肥 為1個單元體 參考文獻 26 對刮板上層的有機 肥進行受力分析 結(jié)果如圖3所示 FX 由散體力學(xué)理論可得 由于上層有機肥對承料 箱壁有側(cè)向壓力作用 其大小隨有機肥深度呈線性 增加 并作三角形分布 其值為該點深度處的正壓 力與側(cè)壓系數(shù)之積 則承料箱每側(cè)邊單位面積的平 均側(cè)向力 為 FX 12 gban 12 gh2tan2 4 2 2 式中 n為側(cè)壓系數(shù) g為重力加速度 m s 2 為有 機肥的休止角 有機肥對承料箱側(cè)壁產(chǎn)生一個作用在1 3h2 高度處的外摩擦力 FS 為 FS h 22af1 2 gtan 2 4 2 3 式中 f1為有機肥與承料箱的外摩擦系數(shù) 如果假設(shè)在兩刮板垂直平面之間的上層肥料 流為一固定單元體 摩擦力FS使單元體承受一個 彎矩 彎矩在刮板A 的上表面產(chǎn)生壓應(yīng)力 在刮板 B的上表面產(chǎn)生一個大小相等 方向相反的拉應(yīng) 力 此應(yīng)力將與上層有機肥在刮板A B表面上產(chǎn) 生的壓應(yīng)力疊加 使A壓應(yīng)力增加 B壓應(yīng)力減小 此時B內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應(yīng)力為上下層有機肥接 觸面上各處內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應(yīng)力的最小值 則 B內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的剪應(yīng)力 B 為 第 6 期 徐 勇 等 刮板輸送式大棚有機肥排肥裝置的設(shè)計與試驗 81 B f h2 g 4FSh2ba2 4 式中 f為內(nèi)摩擦系數(shù) 只有使上 下層有機肥接觸面上各處的內(nèi)摩擦 力產(chǎn)生的剪應(yīng)力均大于有機肥和承料箱兩側(cè)外摩 擦力作用于整個接觸面上均勻分布的剪應(yīng)力 才能 保證有機肥能夠整體運動 在沒有擋肥板的情況 下 傾倉而出 根據(jù)這一條件得 B 2FSba 5 式中 為有機肥和承料箱兩側(cè)外摩擦力作用于整 個接觸面上均勻分布的剪應(yīng)力 N m 2 取式 4 的 B和式 3 的FS代入式 5 得到 h2的二次方程式 h2 14f 8abf2 a2 f1tan2 4 2 f1tan2 4 2 a 6 經(jīng)過試驗測得有機肥休止角 47 內(nèi)摩擦系 數(shù)f tan 1 07 根據(jù)文獻 27 有機肥與承料箱的 外摩擦系數(shù)f1 0 35 b為刮板長度 取b為1 m 刮 板高度通過試驗取為0 01 m 可以達到施肥量的要 求 承料箱中有機肥的最大輸送高度依據(jù)排肥裝置 最大開度設(shè)定并預(yù)留一定的承肥空間 承料箱高度 取整為0 2 m 由式 6 可得h2和a的函數(shù)關(guān)系如 圖4所示 0 04 0 08 0 12 0 16 0 200 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 刮板間距 m Scraper spacing 肥料高度 m Fertilizer height 圖 4 肥料高度和刮板間距的關(guān)系 Fig 4 The relationship between fertilizer height and scraper spacing 由式 6 可得刮板間距的下極限值 amin 2f f1h22tan2 4 2 bf h2 f1tan2 4 2 7 amin 式中 是刮板間距 a 的最小值 當(dāng)承料箱中有 機肥的料層高度為最大h2時取到 對于一定的有 機肥和承料箱寬度 a不能隨意增大 因為a增大 將導(dǎo)致上層有機肥內(nèi)部產(chǎn)生滑移 使有機肥上表層 滯留在刮板后方 影響排肥穩(wěn)定性 為避免在承料 箱中形成滑移面 a必須有最大極限值 假設(shè)兩刮板之間整體肥料為一固定單元體 不 考慮擋肥板的阻力 將肥料體即將產(chǎn)生滑移面時的 情況作為受力平衡情況 得 FA Fr 2FS FB 8 式中 有機肥體與承料箱底板的外摩擦力 Fr 為 A G B a b v Fs Fr FA FX FX FB h 1 h 2 h a 刮板間距 h1 刮板間有機肥高度 h2 刮板上方的有機肥高度 h 輸送有機肥整體高度 b 排肥刮板的長度 FS 有機肥與承料箱側(cè)壁的摩擦力 Fr 有機肥體與承料箱底板的外摩擦力 FX 有機肥對承料箱壁的側(cè)壓力 FA 后刮板對單元體有機肥的推力 FB 前刮板對單元體有機肥的壓力 G 上層有 機肥重力 A 后刮板 B 前刮板 v 刮板前進速度 a Scraper spacing h1 Height of organic fertilizer between scrapers h2 Height of organic fertilizer above the scraper H Overall height of transported organic fertilizer b Legth of the scraper FS Friction between organic fertilizer and the side wall of the carrier box Fr External friction between the organic fertilizer body and the bottom plate of the carrier box FX Lateral pressure of organic fertilizer on the wall of the carrier box FA Thrust of the rear scraper on unit organic fertilizer FB Pressure of the front scraper on unit organic fertilizer G Upper organic fertilizer gravity A Back scraper B Front scraper v Scraper forward speed 圖 3 單元體有機肥的受力分析 Fig 3 Force analysis of unit organic fertilizer 82 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 第 42 卷 Fr b h1 h2 a gf1 9 由于上層有機肥和承料箱側(cè)壁外摩擦力Fs對 上層肥料產(chǎn)生一個彎矩 該彎矩在前后刮板上表面 分別產(chǎn)生拉 壓應(yīng)力 則前 后刮板上方的垂直壓應(yīng) 力分別為 A1 h2 g 4FSh2ba 10 B1 h2 g 4FSh2ba 11 式中 A1為后刮板上方的垂直壓應(yīng)力 N m 2 B1為前刮板上方的垂直壓應(yīng)力 N m 2 刮板下方的垂直應(yīng)力不受該彎矩的影響 則有 A2 B2 h1 h2 g 12 式中 A2為后刮板下方的垂直壓應(yīng)力 N m 2 B2為前刮板下方的垂直壓應(yīng)力 N m 2 用刮板上 下方的平均側(cè)壓力代替刮板對于單 元體的作用力 FA FB 則FA FB分別為 FA 12 A1 A2 1nh1b h2 h12 g 2FSh2ba 1 nh1b 13 FB 12 B1 B2 nh1b h2 h12 g 2FSh2ba nh1b 14 將式 3 9 13 14 的各計算值代入式 8 化簡后得刮板間距上限值的二次方程式 h2 h12 1 n n h1b h 32 f1 a 1 n2 h 1 b h 1 h2 h22n f 1a 0 15 令 B h2 h12 1 n n h1b 16 C 1 n2 h1h32 f1 17 A b h1 h2 h22n f1 18 代入式 15 得 B Ca Aa 0 19 amax B pB2 4AC 2A 20 為保證有機肥的穩(wěn)定排施 a的合理范圍應(yīng)為 amin amax 依據(jù)式 7 20 得amin 0 004 m amax 0 166 m 為了獲得較大的有機肥承載量 由 圖4中h2和a的函數(shù)關(guān)系 刮板間距應(yīng)該選取盡可 能大的值 為了便于加工 a取值為0 15 m 2 3 排肥器轉(zhuǎn)速 根據(jù)刮板輸送式排肥裝置的排肥原理 由式 1 可以計算出刮板輸送式排肥裝置排施有機肥的 理論單轉(zhuǎn)排肥量 依據(jù) 1 1 所述蘇南地區(qū)草莓 大棚施撒基肥習(xí)慣用量 假設(shè)施肥機械的行駛速度 為0 5 1 2 m s 1 為了滿足當(dāng)?shù)鼗柿?xí)慣量 刮板輸 送式排肥器的轉(zhuǎn)速應(yīng)該為16 5 59 5 r min 1 2 4 排肥器開度 排肥器開度的下限值取為刮板的高度 上限值 為最大單轉(zhuǎn)排肥量所對應(yīng)的排肥器開度 單位面積 內(nèi)的排肥量 Q 可由下式計算 Q qn sbv 21 式中 q為排肥器單轉(zhuǎn)的排肥量 kg r 1 n為排肥器 轉(zhuǎn)速 r min 1 s為施肥面積 m2 b為施肥幅寬 即刮 板長度 m v為施肥機具前進速度 m s 1 根據(jù) 1 1 所述最大基肥習(xí)慣用量可得單位 面積內(nèi)的最大施肥量Q為2 25 kg 施肥機具前進 速度為1 2 m s 1 轉(zhuǎn)速n為16 5 r min 1時 所對應(yīng) 的擋肥板開度為35 mm 則排肥器開度調(diào)節(jié)為 10 35 mm范圍內(nèi)即可滿足排肥量的要求 在確定h1 a b z d 這些參數(shù)后 排肥裝置 的排肥量只與排肥軸轉(zhuǎn)速 n 和開度 H 有關(guān) 3 排肥器工作性能試驗 排肥器開度大小會影響出料高度 進而影響排 肥過程中肥料的下落 影響排肥量的穩(wěn)定性 排肥 軸轉(zhuǎn)速影響出料的初始速度和排肥裝置的振動 從 而影響有機肥的落肥效果 造成排肥量穩(wěn)定性的變 化 排肥器開度 排肥軸轉(zhuǎn)速不僅影響排肥穩(wěn)定性 也是影響排肥量的重要因素 為探討排肥器工作性 能 優(yōu)化其設(shè)計參數(shù) 搭建試驗臺并進行排肥量和 排肥穩(wěn)定性試驗 3 1 材料與評價指標(biāo) 3 1 1 試驗材料 試驗使用的有機肥為長春市新 陽光有機肥料有限公司生產(chǎn)的粉末狀有機肥 主要 以雞糞為主 其中氮 磷 鉀總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)為9 9 有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為75 試驗裝置如圖5所示 采用步進電機 86BYG250H 通過步進電機控制器 KH 01 調(diào)節(jié) 排肥器開度 采用三相異步電機 YS 903 4 連接減 速機 型號為NMRV63 減速比為1 20 通過變頻 器 AE200 2 1PH 3 0G 調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速 并用編碼 器 LPD3806 400BM G5 24C 實時讀取排肥軸 轉(zhuǎn)速 第 6 期 徐 勇 等 刮板輸送式大棚有機肥排肥裝置的設(shè)計與試驗 83 圖 5 有機肥施肥試驗臺 Fig 5 Test bench of organic fertilizer discharging 3 1 2 排肥性能評價指標(biāo) 試驗以排肥量穩(wěn)定性 變異系數(shù)作為評價標(biāo)準(zhǔn) 計算方法如下 x n i 1 xi n 22 S n i 1 xi x 2 n 1 23 V Sx 100 24 式中 xi為各次排肥量 kg x為各次排肥量的平均 值 kg S為標(biāo)準(zhǔn)差 kg V為排肥穩(wěn)定性變異系 數(shù) n為測定次數(shù) 3 2 轉(zhuǎn)速與排肥量相關(guān)性試驗 排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度影響排肥量 為考察 各因素對排肥量的影響 基于前文的分析 在轉(zhuǎn)速 15 60 r min 1和開度10 35 mm范圍內(nèi)進行試驗 試驗時根據(jù)排肥器開度與步進電機步距角對應(yīng)關(guān) 系 設(shè)置開度分別為10 15 20 25 30 35 mm 調(diào)節(jié)變頻 器旋鈕 設(shè)置轉(zhuǎn)速分別為15 24 33 42 51 60 r min 1 排肥裝置在設(shè)定參數(shù)下運行10 s 在排肥口處用塑 料盆接肥 結(jié)束后采用精度 5 g的電子秤稱量并記 錄排肥量 每個轉(zhuǎn)速和開度重復(fù)3次試驗 試驗結(jié) 果見圖6 由圖6可得 排肥量與排肥軸轉(zhuǎn)速 排肥器開 度密切相關(guān) 排肥量隨著排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速 的增大而增加 且同一排肥器開度下排肥軸轉(zhuǎn)速與 排肥量呈良好的線性關(guān)系 整體決定系數(shù) 0 985 7 不同的轉(zhuǎn)速匹配不同的排肥器開度可實現(xiàn)不同排 肥量的需求 因此可以通過實時控制排肥軸轉(zhuǎn)速或 同時控制排肥器開度實現(xiàn)變量施肥 3 3 響應(yīng)面試驗 3 3 1 試驗設(shè)計 通過分析排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器 開度對刮板輸送式排肥裝置的排肥效果 對排肥裝 置的結(jié)果參數(shù)和運行參數(shù)進行優(yōu)化 選用二次通用 旋轉(zhuǎn)組合試驗方法 分析排肥軸轉(zhuǎn)速和排肥器開度 對排肥穩(wěn)定性的影響 以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為評 價指標(biāo) 試驗因素及水平編碼見表1 表 1 試驗因素及水平編碼表 Table 1 Coding of test factors and levels 編碼值 Code value 因素 Factor 開度 mm Opening x1 轉(zhuǎn)速 r min 1 Rotational speed x2 1 414 35 0 59 5 1 31 3 53 0 0 22 5 38 0 1 13 7 23 0 1 414 10 0 16 5 3 3 2 試驗方案與結(jié)果分析 應(yīng)用Design Expert 軟件對試驗結(jié)果進行回歸分析 以確定2個試驗因 素下排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的變化規(guī)律 試驗方案及 結(jié)果如表2所示 以排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速為試 驗因素 以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為試驗指標(biāo) 運用 Design Expert軟件對試驗結(jié)果進行方差分析 方差 分析結(jié)果見表3 由表3可知 模型的顯著性檢驗F 25 70 P 0 01 決定系數(shù)R2 0 948 3 表示回歸模型極顯著 且在試驗范圍內(nèi)擬合程度好 由變異系數(shù)模型可 知 x2 x1x2 x22對方程影響極顯著 P 0 01 x1 x12對方程影響顯著 P 0 05 得到變異系數(shù)的回 歸方程為 V 3 41 0 12x1 0 34x2 0 32x1x2 0 12x21 0 24x22 25 3 3 3 試驗因素對指標(biāo)的影響 排肥器開度和排 肥軸轉(zhuǎn)速對排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響如圖7所 示 由圖7a可知 在排肥器開度較大時變異系數(shù)隨 著排肥軸轉(zhuǎn)速減小而增大 在排肥器開度較小時變 異系數(shù)隨著排肥軸轉(zhuǎn)速先增大后減小 由圖7b可 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 轉(zhuǎn)速 r min 1 Rotational speed 排肥流量 kg min 1 Fertilizer flow 10 mm 20 mm 30 mm 15 mm 25 mm 35 mm y 7 079x 49 212 R2 0 998 7y 6 486x 27 298 R2 0 997 2y 5 681x 24 746 R2 0 996 3y 5 137x 8 664 R2 0 995 4 y 3 454x 17 008 R2 0 993 8 y 2 776x 5 217 R2 0 985 7 圖 6 不同開度水平下轉(zhuǎn)速與排肥流量的關(guān)系 Fig 6 The relationship between rotational speed and fertilizer discharging flow under different opening degrees 84 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 第 42 卷 知排肥軸轉(zhuǎn)速對排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響比排 肥器開度大 該結(jié)論與方差分析得出的結(jié)論相吻合 3 3 4 試驗結(jié)果目標(biāo)優(yōu)化與試驗驗證 為尋求各 因素最優(yōu)組合 以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)最小為原 則 應(yīng)用Design Expert軟件對排肥穩(wěn)定性系數(shù)優(yōu)化求 解 得排肥器開度30 42 mm 排肥軸轉(zhuǎn)速51 5 r min 1 預(yù)測變異系數(shù)最優(yōu)值為1 84 在自制試驗臺上進 行排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)和排肥量試驗 重復(fù)5次 試驗結(jié)果如表4所示 變異系數(shù)的相對誤差最大值 為4 89 最小值為0 54 平均相對誤差僅為2 95 相對誤差均在5 范圍內(nèi) 為可接受的誤差范圍 滿 足實際試驗要求 3 3 5 排肥穩(wěn)定性對比驗證試驗 為驗證排肥器 排肥穩(wěn)定性 與目前果園施撒有機肥應(yīng)用最多的螺 旋式排肥器 28 30 進行試驗對比 果園內(nèi)施肥作業(yè)空 間有限 基肥的施撒量也同樣巨大 31 試驗時設(shè)定 兩者的工作轉(zhuǎn)速都是51 5 r min 1 試驗時間10 s 進行5組試驗 每組試驗重復(fù)3次取平均值 統(tǒng)計 排肥量和試驗的穩(wěn)定性變異系數(shù) 試驗結(jié)果如表5 所示 本研究設(shè)計的刮板輸送式排肥器排肥穩(wěn)定性 變異系數(shù)的均值為1 84 而螺旋式排肥器排肥穩(wěn) 定性變異系數(shù)達6 12 相較于螺旋式排肥器有效 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 53 47 41 35 29 23 13 70 18 10 22 50 26 90 31 30 排肥器開度 mm Opening height of fertilizer 排肥軸轉(zhuǎn)速 r min 1 Fertilizer shaft speed 排肥穩(wěn)定性變異系數(shù) Coef ficient of variation of fertilizer stability 53 47 41 35 29 2313 70 18 10 22 50 26 90 31 30 排肥器開度 mm Opening height of fertilizer 排肥軸轉(zhuǎn)速 r min 1 Fertilizer shaft speed a 響應(yīng)曲面 Response surface b 等高線圖 Contour map 圖 7 試驗因素對變異系數(shù)的影響 Fig 7 Influence of experimental factor on the coefficient of variation 表 2 正交試驗方案及結(jié)果1 Table 2 Orthogonal test plan and results 試驗編號 Test number 試驗因素 Experimental factor 排肥穩(wěn)定性變異系數(shù) Coefficient of variation of fertilization stabilityx1 x2 1 22 5 38 0 2 47 2 31 3 53 0 1 89 3 35 0 38 0 1 85 4 22 5 38 0 2 53 5 31 3 23 0 3 21 6 22 5 16 5 3 38 7 22 5 59 5 2 47 8 13 7 23 0 2 62 9 22 5 38 0 2 31 10 13 7 53 0 2 59 11 22 5 38 0 2 45 12 10 0 38 0 2 43 13 22 5 38 0 2 31 1 x1 x2分別表示排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速 1 x1 x2 indicated opening degree of fertilizer discharging device and rotational speed of the fertilizer discharging shaft 表 3 方差分析表1 Table 3 Variation analysis table 變異來源 Variance source 平方和 Sum of squares 自由度 Degree of freedom F P 模型 Model 2 080 5 25 70 0 000 2 x1 0 110 1 6 71 0 035 9 x2 0 960 1 59 10 0 000 1 x1x2 0 420 1 25 73 0 001 4 x12 0 098 1 6 05 0 043 4 x22 0 430 1 26 68 0 001 3 殘差 Residual 0 110 1 失擬項 Lack of fit 0 074 3 2 48 0 200 0 純誤差 Pure error 0 040 4 總和 Sum 2 190 12 1 x1 x2分別表示排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速 1 x1 x2 indicated opening degree of fertilizer discharging device and rotational speed of the fertilizer disch